Pochopenie lineárnych regulátorov LDO

Aby regulátor nízkeho výpadku (LDO) dodával čisté výstupné napätie a optimálne fungoval, najmä pri vyšších úrovniach prúdu, je potrebné zvoliť správne parametre a parametre.

výstupné napätie

Pre väčšinu oblastí použitia sú špecifikácie základných parametrov údajového listu dostatočné a ľahko pochopiteľné. Údajové listy bohužiaľ neuvádzajú parametre pre všetky možné podmienky prepínania. Preto, aby ste z LDO vyťažili čo najviac, je nevyhnutné porozumieť kľúčovým parametrom výkonu a ich vplyvu na dané záťaže. Vývojári musia byť schopní určiť, či je LDO vhodný pre konkrétne zaťaženie, a to starostlivou analýzou podmienok zmeny prostredia.

Tento článok skúma základné výkonové parametre LDO a ich vplyv na dodávku čistého výstupného napätia do rôznych komponentov v elektronickom systéme. Ďalej diskutujeme o faktoroch, ktoré musí vývojár brať do úvahy, aby optimalizoval systém, najmä na vyšších súčasných úrovniach.

Ako sa používajú lineárne regulátory (LDO) v aplikáciách

Vo väčšine aplikácií sa LDO primárne používajú na izoláciu citlivej záťaže od hlučného zdroja energie. Na rozdiel od spínacích regulátorov majú lineárne regulátory straty výkonu v prechodovom tranzistore alebo MOSFET, ktoré sa používajú na reguláciu a udržiavanie výstupného napätia s požadovanou presnosťou. Z tohto dôvodu môže byť stratový výkon LDO významnou nevýhodou z hľadiska účinnosti a spôsobiť tepelné problémy. Je preto dôležité, aby vývojári minimalizovali stratový výkon LDO, čím zvyšujú účinnosť systému a zabraňujú akýmkoľvek tepelným komplikáciám.

LDO patria k najstarším a najbežnejšie používaným zariadeniam na reguláciu napätia, ale veľa z ich kľúčových ukazovateľov výkonnosti chýba do hĺbky alebo aspoň nie je plne využitý ich potenciál. Aj keď náklady sú dôležitým faktorom, použitie LDO je primárne riadené výkonovými požiadavkami systému a prijateľnou úrovňou rušenia z obsluhovaného nákladu. LDO sa tiež používajú na zníženie hluku a nápravu problémov spôsobených elektromagnetickým rušením (EMI) a smerovaním obvodových dosiek.

Pri veľmi malom prúdovom zaťažení je stratový výkon LDO veľmi zanedbateľný; je to preto jasná voľba kvôli jeho jednoduchosti, cene a ľahkému použitiu. Naproti tomu pri vysokom prúdovom zaťažení viac ako 500 mA sa stávajú dôležitejšími ďalšie faktory, ktoré sú v niektorých prípadoch rozhodujúce. V týchto aplikáciách je dôležité, aby vývojári systému brali do úvahy výkonové parametre, ktorých váha rastie s vyššími úrovňami prúdu, napríklad s výpadkovým napätím, reguláciou záťaže a prechodným výkonom.

Pretože LDO sú akýmsi lineárnym regulátorom, často sa porovnávajú s konvenčnými lineárnymi regulátormi, najmä z hľadiska nákladov. Tu je potrebné poznamenať, že priechodný prvok je srdcom LDO a tento a obvody, ktoré ho obklopujú, určujú výkon LDO.

LDO sa skladá z troch základných funkčných prvkov: referenčného napätia, prvku kontinuity a chybového zosilňovača, ako je znázornené na obrázku 1. Počas normálnej prevádzky funguje prvok kontinuity ako zdroj prúdu pre regulátor napätia. Prechodový prvok je riadený kompenzovaným riadiacim signálom z chybového zosilňovača, ktorý detekuje výstupné napätie a porovnáva ho s referenčným napätím.

Všetky tieto funkčné bloky majú vplyv na výkonnosť LDO. Dátové listy od výrobcov LDO vždy obsahujú špecifikácie, ktoré popisujú výkon týchto funkčných prvkov.

Ako je znázornené na obrázku 2, v dizajnoch regulátorov LDO sa zvyčajne nachádzajú štyri rôzne typy prechodových prvkov: NPN tranzistorové regulátory, PNP tranzistorové regulátory, N-kanálové MOSFET a P-kanálové MOSFET založený radič.

Regulátory založené na tranzistoroch sa všeobecne vyznačujú vyšším výpadkovým napätím v porovnaní s regulátormi založenými na MOSFET. Okrem toho je základný budiaci prúd tranzistorového prechodového prvku regulátora založeného na tranzistore úmerný výstupnému prúdu. To priamo ovplyvňuje kľudový prúd tranzistorového regulátora. V porovnaní s tým priechodový prvok MOSFET využíva napätie na izolovanej bráne na zníženie jeho kľudového prúdu podstatne viac ako tranzistorový regulátor.

Dôležité parametre v ovládači nízkeho výpadku

Vypadávajúce napätie: Výpadkové napätie je definované ako rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím v bode, v ktorom ďalší pokles vstupného napätia spôsobí zlyhanie regulácie výstupného napätia. V stave výpadku pracuje prvok spojitosti v lineárnom rozsahu a správa sa ako rezistor. V modernom LDO je priechodný prvok zvyčajne implementovaný pomocou PMOS alebo NMOS FET, ktoré umožňujú výpadkové napätie od 30 mV do 500 mV. Obrázok 3 zobrazuje výpadkové napätie modulu ISL80510 LDO, ktorý ako priechodný prvok používa PMOS FET.

Regulácia zaťaženia: Regulácia záťaže je definovaná ako zmena výstupného napätia pre danú zmenu záťaže. Normálne sa pohybuje od nulového zaťaženia do plného zaťaženia, určené nasledujúcou rovnicou 1.

Riadenie záťaže indikuje výkon priechodného prvku a zisk v DC riadiacej slučke regulátora. Čím vyšší je zisk DC v uzavretej slučke, tým lepšia je regulácia záťaže.

Regulácia linky: Regulácia vedenia je zmena výstupného napätia pre danú zmenu vstupného napätia, definovaná v rovnici 2 nižšie:

Pretože regulácia vedenia tiež závisí od výkonu priechodného prvku a jednosmerného zosilnenia riadiacej slučky, operácia vypadnutia nie je často zahrnutá pri zvažovaní regulácie vedenia. Z toho vyplýva, že minimálne vstupné napätie pre reguláciu vedenia musí byť vyššie ako vypadávajúce napätie.

Prenikanie napájacieho napätia (PSRR, Power Supply Rejection Ratio): PSRR je hodnota, ktorá udáva schopnosť LDO tlmiť výkyvy výstupného napätia spôsobené vstupným napätím, pozri obrázok 3. Aj keď sa regulácia vedenia uvažuje iba pre jednosmerný prúd, PSRR musí mať je potrebné dodržiavať široký frekvenčný rozsah (pozri rovnicu 3 nižšie):

V konvenčnom riadení s uzavretou slučkou môže byť výstupné napätie malého signálu vyjadrené ako je uvedené v rovnici 4 nižšie:

Kde V * in je vstupné napätie malého signálu, Gvg je funkcia prenosu v otvorenej slučke zo vstupu na výstupné napätie, kv je zisk snímača výstupného napätia, GC je funkcia prenosu kompenzátora, Goc je funkcia prenosu v otvorenej slučke z riadiaceho signálu na výstupné napätie a kv GC Goc je prenosová funkcia uzavretej regulačnej slučky T (s).

Rovnice 3 a 4 jasne ukazujú, že PSRR pozostáva zo zisku uzavretej regulačnej slučky T (s) a prevrátenej hodnoty prenosovej funkcie otvorenej regulačnej slučky zo vstupu na výstupné napätie 1/Gvg (pozri obrázky 4 a 5). Zatiaľ čo pri nižších frekvenciách prevláda prenosová funkcia uzavretej regulačnej slučky, pri vyšších frekvenciách preberá prenosová funkcia otvorenej regulačnej slučky.

Ďalšie dôležité parametre LDO

Hluk: Tento parameter sa všeobecne týka šumu vo výstupnom napätí generovaného samotným LDO, ktorý je inherentnou charakteristikou referenčnej hodnoty pásma. Rovnica 4 vyššie ukazuje vzťah medzi referenčným napätím a výstupným napätím. Bohužiaľ však funkcia prenosu v uzavretej slučke neplatí pre potlačenie rušenia od referenčného napätia k výstupnému napätiu. Z tohto dôvodu väčšina LDO s nízkym šumom vyžaduje ďalší filter, aby sa zabránilo vstupu rušenia do riadiacej slučky.

Prechodná odozva: LDO sa zvyčajne používajú v aplikáciách, v ktorých je dôležitá kontrola v bode zaťaženia (PoL; Point of Load), napríklad pri napájaní digitálnych integrovaných obvodov, procesoroch DSP, FPGA a procesoroch šetriacich energiu. Zaťaženie v takýchto aplikáciách pracuje s niekoľkými prevádzkovými režimami, ktoré vyžadujú rôzne napájacie prúdy. LDO musí preto rýchlo reagovať, aby udržal napájacie napätie v požadovaných medziach. Toto robí z prechodného správania LDO jeden z rozhodujúcich výkonnostných parametrov.

Rovnako ako u všetkých uzavretých regulačných slučiek, prechodná odozva závisí hlavne od šírky pásma prenosovej funkcie riadiacej slučky. Na dosiahnutie najlepšej prechodovej odozvy musí byť šírka pásma riadiacej slučky čo najvyššia, ale zároveň zabezpečiť dostatočnú fázovú rezervu na udržanie stability.

Pokojový prúd: Kľudový prúd (alebo zvodový prúd) LDO je kombináciou spätnej väzby a budiaceho prúdu priechodného prvku; zvyčajne sa udržiava na čo najnižšej úrovni. Pokojový prúd navyše zostáva relatívne nedotknutý záťažovým prúdom, keď sa ako priechodné prvky používajú PMOS alebo NMOS FET. Pretože kľudový prúd neprúdi cez výstup, ovplyvňuje účinnosť LDO, čo sa dá vypočítať z nasledujúcej rovnice 5:

Stratu výkonu v rámci LDO definuje Vin * (Iq + Iout) - Vout * Iout. Aby sa optimalizovala účinnosť LDO, musí sa minimalizovať pokojový prúd aj rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím. Tento rozdiel má priamy vplyv na účinnosť a stratu energie, takže sa všeobecne uprednostňuje najnižšie vypadávajúce napätie.

Aj keď lineárny regulátor nemôže poskytnúť vysoko účinnú konverziu v porovnaní so spínaným napájacím zdrojom (SMPS), v mnohých moderných aplikáciách sa používa ako nevyhnutný regulátor napätia. V aplikáciách, ktoré sú citlivé na rušenie, je pre SMPS veľmi ťažké dosiahnuť potrebné zvyškové zvlnenie (zvlnenie) výstupu, aby splnil úzku špecifikáciu šumu. Vo výsledku nie je nezvyčajné pridať LDO na výstup SMPS ako aktívny filter. Tento LDO musí mať vysokú PSRR pri spínacej frekvencii spínaného napájacieho zdroja.

Regulátory LDO sú obzvlášť vhodné pre aplikácie, ktorých výstupné napätie je potrebné regulovať iba mierne pod vstupným napätím. Zatiaľ čo konvertory buck a boost majú aplikačné limity pre maximálny/minimálny pracovný cyklus, ich výstupné napätie stráca kontrolu, keď je vstupné napätie blízke výstupnému napätiu.

* Sitthipong Angkititrakul je aplikačný inžinier,

* Dhananjay Singh je manažér produktového marketingu v Intersile v Milpitase v Kalifornii.